Команда исследователей химического факультета изТокийского университета, успешно сняла видео одиночных молекул в движении со скоростью 1600 кадров в секунду. Это в 100 раз быстрее, чем предыдущие эксперименты такого рода. Они достигли этого, объединив мощный электронный микроскоп с высокочувствительной камерой и передовой обработкой изображений. Этот метод может помочь во многих областях наноразмерных исследований.
При съемке кино или видео количество изображений, захваченных или отображаемых каждую секунду, называется кадрами в секунду. Если видео захватывается с высокой частотой кадров в секунду, но отображается с более низкой частотой кадров в секунду, то происходит плавное замедление движения, которое позволяет воспринимать недоступные детали.
Для справки, фильмы, показываемые в кинотеатрах, обычно демонстрировались со скоростью 24 кадра в секунду в течение более 100 лет. В последнее десятилетие специальные микроскопы и камеры позволяли исследователям фиксировать события атомного масштаба со скоростью около 16 кадров в секунду. Но новая техника, о которой пишут исследователи, увеличила это до потрясающих 1600 кадров в секунду.
«Ранее мы успешно фиксировали события атомного масштаба в режиме реального времени», - сказал профессор проекта Эйичи Накамура. «Наш просвечивающий электронный микроскоп (TEM) дает невероятное пространственное разрешение, но чтобы хорошо видеть детали небольших физических и химических событий, также необходимо высокое временное разрешение. Вот почему мы применили метод захвата изображений, который намного быстрее, чем в предыдущих экспериментах. поэтому мы можем замедлить воспроизведение событий и увидеть их совершенно по-новому».
Накамура и его команда использовали просвечивающий электронный микроскоп, позволивший разрешать объекты размером менее 1 ангстрема или одной десятитысячной доли метра. Они прикрепили устройство визуализации, называемое камерой прямого обнаружения электронов (DED). Эта камера очень чувствительна и способна к высокой частоте кадров. Однако даже при использовании этого мощного микроскопа и чувствительной камеры для получения полезных изображений необходимо преодолеть одно огромное препятствие: шум.
Использование датчика изображения с высокой чувствительностью ведет к тому, что большая чувствительность влечет за собой высокую степень визуального шума. Это неизбежный факт электронного инжиниринга. Чтобы компенсировать этот шум и добиться большей четкости, приходится использовать специальную технику обработки изображений, способствующую шумоподавлению.
Исследователи проверили свою установку, визуализиров вибрирующие углеродные нанотрубки, в которых находились молекулы фуллерена (C60), напоминающие граненые футбольные мячи, сделанные из атомов углерода. При этом они смогли зафиксировать на изображениях некоторые механические свойства, никогда не встречавшиеся ранее на наноуровне. Было обнаружено колебательное движение молекулы С60, связанное с колебанием контейнера с углеродными нанотрубками. Это стало видно только при высокой частоте кадров.
«Мы были приятно удивлены, что эта шумоподавляющая обработка изображений выявила невидимое движение молекул фуллерена», - говорят ученые.
К сожалению, все еще остается серьезная проблема, заключающаяся в том, что после захвата видео приходится проводить его длительную обработку. Это означает, что визуальная обратная связь от эксперимента под микроскопом происходит не в реальном времени, а после высокопроизводительных вычислений, что может длиться довольно долго. Тем не менее, новая технология может оказаться очень полезным инструментом для тех, кто исследует микроскопический мир.
Источник: Toshiki Shimizu, Dominik Lungerich, Joshua Stuckner, Mitsuhiro Murayama, Koji Harano and Eiichi Nakamura. Real-time Video Imaging of Mechanical Motions of a Single Molecular Shuttle with Sub-millisecond Sub-angstrom Precision. Bulletin of the Chemical Society of Japan. doi.org/10.1246/bcsj.20200134